Введение
Защита человека и окружающей среды от вредного воздействия ионизирующего и неионизирующего излучения. Радиационная защита, также известная как защита от излучения, определяется Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) как "защита людей от вредного воздействия ионизирующего излучения и средства достижения этой цели". Воздействие может быть вызвано источником излучения, находящимся вне человеческого тела, или внутренним облучением, обусловленным поступлением радиоактивных веществ в организм. Ионизирующее излучение широко используется в промышленности и медицине и может представлять значительную опасность для здоровья, вызывая микроскопические повреждения живых тканей. Существуют две основные категории последствий для здоровья, связанных с воздействием ионизирующего излучения. При высоких дозах оно может вызывать "тканевые" эффекты, также называемые "детерминированными" эффектами из-за их неизбежности, которые обычно измеряются в граях и приводят к острому лучевому синдрому. При низких дозах может наблюдаться статистически значимое увеличение риска развития рака, вызванного излучением, называемого "стохастическим" эффектом из-за его вероятностного характера, который обычно измеряется в зивертах. Основополагающим принципом радиационной защиты является предотвращение или снижение дозы посредством простых защитных мер: ограничения по времени, увеличения расстояния и использования экранирования. Продолжительность воздействия должна быть сведена к минимуму, расстояние от источника излучения должно быть максимально увеличено, а источник или объект должны быть экранированы, где это возможно. Для измерения индивидуальной дозы при профессиональном или аварийном облучении используются персональные дозиметры для внешнего излучения, а для оценки внутренней дозы, вызванной поступлением радиоактивных веществ в организм, применяются методы биоанализа. Международная комиссия по радиационной защите (ICRP) и Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (ICRU) публикуют рекомендации и данные для оценки радиационной защиты и дозиметрии, которые используются для расчета биологического воздействия определенных уровней излучения на организм человека и, следовательно, для определения допустимых пределов доз.
Принципы
МКРП рекомендует, разрабатывает и поддерживает Международную систему радиационной защиты, основываясь на оценке обширного объема научных исследований, позволяющих сопоставить риск с уровнями полученной дозы. Целями системы в области здравоохранения являются "управление и контроль облучения ионизирующим излучением таким образом, чтобы предотвращались детерминированные эффекты, а риски стохастических эффектов снижались до практически достижимого уровня". Рекомендации МКРП передаются национальным и региональным регулирующим органам, которые могут включать их в национальное законодательство; этот процесс показан на прилагаемой блок-схеме. В большинстве стран национальный регулирующий орган стремится обеспечить безопасную радиационную обстановку в обществе путем установления норм ограничения доз, которые, как правило, основаны на рекомендациях МКРП.
Регулирование приема дозы
МКРП использует следующие общие принципы для всех ситуаций контролируемого облучения. Обоснование: Не допускается неоправданное использование радиации, что означает, что преимущества должны превышать недостатки. Ограничение: Каждый человек должен быть защищен от неприемлемо высоких рисков посредством применения индивидуальных пределов дозы. Оптимизация: Этот процесс предназначен для применения к ситуациям, которые были признаны оправданными. Он подразумевает, что "вероятность облучения, число облучаемых лиц и величина индивидуальных доз" должны поддерживаться настолько низкими, насколько это разумно достижимо (или практически возможно), что известно как ALARA или ALARP. При этом учитываются экономические и социальные факторы.
Факторы внешнего приема дозы
Существует три фактора, определяющих количество, или дозу, радиации, получаемой от источника. Уровень радиационного воздействия можно контролировать, комбинируя эти факторы:
Время: Уменьшение времени воздействия пропорционально снижает эффективную дозу. Например, повышение квалификации персонала может сократить время работы с радиоактивным источником и, следовательно, уменьшить дозу облучения. Расстояние: Увеличение расстояния снижает дозу в соответствии с законом обратного квадрата. Это может быть так же просто, как использование пинцета вместо пальцев при работе с источником. Например, если во время флюороскопической процедуры возникла проблема, по возможности отойдите от пациента. Защита: Источники радиации можно экранировать твердыми или жидкими материалами, которые поглощают энергию излучения. Термин "биологическая защита" используется для обозначения поглощающего материала, размещенного вокруг ядерного реактора или другого источника радиации, для снижения уровня радиации до безопасного для человека. В качестве экранирующих материалов используются бетон и свинцовые экраны толщиной 0,25 мм для вторичного излучения и 0,5 мм для первичного излучения.
Time: Reducing the time of an exposure reduces the effective dose proportionally. An example of reducing radiation doses by reducing the time of exposures might be improving operator training to reduce the time they take to handle a radioactive source. Distance: Increasing distance reduces dose due to the inverse square law. Distance can be as simple as handling a source with forceps rather than fingers. For example, if a problem arise during fluoroscopic procedure step away from the patient if feasible. Shielding: Sources of radiation can be shielded with solid or liquid material, which absorbs the energy of the radiation. The term 'biological shield' is used for absorbing material placed around a nuclear reactor, or other source of radiation, to reduce the radiation to a level safe for humans. The shielding materials are concrete and lead shield which is 0.25mm thick for secondary radiation and 0.5mm thick for primary radiation
АЛАРП и АЛАРА
ALARP – это аббревиатура важного принципа в отношении воздействия радиации и других профессиональных рисков для здоровья, а в Великобритании расшифровывается как «Настолько низко, насколько это разумно достижимо». Цель состоит в том, чтобы минимизировать риск радиоактивного воздействия или другой опасности, при этом учитывая, что некоторое воздействие может быть приемлемым для достижения поставленной задачи. Эквивалентный термин ALARA, «Настолько низко, насколько это разумно осуществимо», чаще используется за пределами Великобритании. Этот компромисс хорошо иллюстрируется в радиологии. Применение радиации может помочь пациенту, предоставляя врачам и другим медицинским работникам данные для постановки диагноза, но воздействие на пациента должно быть снижено до уровня, при котором статистическая вероятность развития рака или саркомы (стохастические эффекты) останется ниже приемлемого уровня, а также исключит детерминированные эффекты (например, покраснение кожи или катаракта). Приемлемый уровень возникновения стохастических эффектов считается равным для работника риску при других видах работ с радиацией, которые обычно считаются безопасными. Эта политика основана на принципе, что любое количество радиационного облучения, каким бы малым оно ни было, может увеличить вероятность негативных биологических эффектов, таких как рак. Она также основана на принципе, что вероятность возникновения негативных последствий радиационного облучения возрастает с накопленной дозой в течение жизни. Эти идеи объединяются в линейную модель без порога, которая утверждает, что не существует порога, при котором с увеличением дозы не наблюдается увеличение частоты возникновения стохастических эффектов. В то же время радиология и другие методы, включающие использование ионизирующего излучения, приносят пользу, поэтому снижение воздействия радиации может снизить эффективность медицинской практики. Экономические затраты, например, на установку радиационной защиты, также должны учитываться при применении принципа ALARP. Компьютерная томография, более известная как КТ или CAT-сканирование, внесла огромный вклад в медицину, однако не без определенных рисков. Ионизирующее излучение, используемое при КТ-сканировании, может привести к развитию рака, вызванного радиацией. Возраст является значимым фактором риска, связанным с КТ-сканированием, и в процедурах, проводимых у детей, а также в системах, не требующих обширной визуализации, используются более низкие дозы.
Излучение частиц
Излучение частиц состоит из потока заряженных или нейтральных частиц, как заряженных ионов, так и субатомных элементарных частиц. К нему относятся солнечный ветер, космическое излучение и нейтронный поток в ядерных реакторах. Альфа-частицы (ядра гелия) обладают наименьшей проникающей способностью. Даже очень энергичные альфа-частицы могут быть остановлены одним листом бумаги. Бета-частицы (электроны) проникают глубже, но все же могут поглощаться несколькими миллиметрами алюминия. Однако, в случае излучения высокоэнергетических бета-частиц, экранирование необходимо осуществлять материалами с низким атомным номером, например, пластиком, деревом, водой или акриловым стеклом (плексигласом, люцитом). Это делается для снижения образования тормозного рентгеновского излучения. В случае бета+ излучения (позитронов) дополнительную опасность представляет гамма-излучение, возникающее при аннигиляции электронов и позитронов. Нейтронное излучение поглощается сложнее, чем излучение заряженных частиц, что делает его особенно проникающим. В процессе, называемом нейтронной активацией, нейтроны поглощаются ядрами атомов в ходе ядерной реакции. Это чаще всего приводит к возникновению вторичной радиационной опасности, поскольку поглощающие ядра превращаются в следующий более тяжелый изотоп, многие из которых нестабильны. Космическое излучение обычно не представляет серьезной угрозы на Земле, поскольку атмосфера Земли поглощает его, а магнитосфера служит щитом. Однако оно представляет значительную проблему для спутников и астронавтов, особенно при прохождении через пояс Ван Аллена или за пределами защитных областей магнитосферы Земли. Часто летающие пассажиры могут подвергаться несколько повышенному риску из-за уменьшения поглощения в более разреженной атмосфере. Космическое излучение обладает чрезвычайно высокой энергией и обладает высокой проникающей способностью.
Электромагнитное излучение
Электромагнитное излучение состоит из испускания электромагнитных волн, свойства которых зависят от длины волны. Рентгеновское и гамма-излучение лучше всего поглощаются атомами с тяжелыми ядрами; чем тяжелее ядро, тем лучше поглощение. В некоторых специальных применениях используются обедненный уран или торий, но свинец гораздо более распространен; часто требуются несколько сантиметров. Сульфат бария также используется в некоторых случаях. Однако, если стоимость имеет значение, можно использовать практически любой материал, но он должен быть значительно толще. Большинство ядерных реакторов используют толстые бетонные экраны для создания биозащиты с тонким водяным слоем свинца внутри, чтобы защитить пористый бетон от контакта с охлаждающей жидкостью. Бетон также изготавливается с добавлением тяжелых заполнителей, таких как барит или магнетит, для повышения его экранирующих свойств. Гамма-лучи лучше поглощаются материалами с высоким атомным номером и высокой плотностью, хотя ни один из этих факторов не имеет решающего значения по сравнению с общей массой материала на единицу площади в пути гамма-луча. Ультрафиолетовое (УФ) излучение ионизирует на самых коротких длинах волн, но не обладает высокой проникающей способностью, поэтому его можно экранировать тонкими непрозрачными слоями, такими как солнцезащитный крем, одежда и защитные очки. Защита от УФ-излучения проще, чем от других видов излучения, поэтому ее часто рассматривают отдельно. В некоторых случаях неправильная экранировка может ухудшить ситуацию, когда излучение взаимодействует с экранирующим материалом и создает вторичное излучение, которое легче поглощается организмами. Например, хотя материалы с высоким атомным номером очень эффективны для экранирования фотонов, их использование для экранирования бета-частиц может привести к увеличению дозы облучения из-за образования тормозного рентгеновского излучения, поэтому рекомендуется использовать материалы с низким атомным номером. Кроме того, использование материала с высоким сечением захвата нейтронов для экранирования нейтронов приведет к тому, что сам экранирующий материал станет радиоактивным и, следовательно, более опасным, чем если бы он отсутствовал.
Личные средства защиты
Личное защитное оборудование (ЛСО) включает в себя всю одежду и аксессуары, которые можно носить для предотвращения серьезных заболеваний и травм, вызванных воздействием радиоактивных веществ. К ним относятся SR100 (защита на 1 час), SR200 (защита на 2 часа). Поскольку радиация может воздействовать на человека как через внутреннее, так и через внешнее загрязнение, были разработаны различные стратегии защиты для минимизации вредного воздействия радиационного облучения из различных источников. Ниже описаны некоторые из этих стратегий, предназначенные для защиты от внутреннего, внешнего и высокоэнергетического излучения.
Внешнее проникающее излучение
Существует множество решений для защиты от низкоэнергетического излучения, такого как рентгеновские лучи с низкой энергией. Свинцовая защита, такая как свинцовые фартуки, может защитить пациентов и медицинских работников от потенциально вредного воздействия радиации при повседневных медицинских обследованиях. Защитить большие площади поверхности тела от излучения в нижнем энергетическом спектре вполне возможно, поскольку для обеспечения необходимой защиты требуется небольшое количество экранирующего материала. Недавние исследования показывают, что медная защита значительно эффективнее свинцовой и, вероятно, заменит ее в качестве стандартного материала для радиационной защиты. Личная защита от более энергичного излучения, такого как гамма-излучение, очень сложна, поскольку большая масса экранирующего материала, необходимая для надежной защиты всего тела, сделала бы нормальное движение практически невозможным. В этом случае наиболее эффективной стратегией защиты является частичная защита радиочувствительных внутренних органов. Непосредственная опасность интенсивного воздействия высокоэнергетического гамма-излучения – это острый радиационный синдром (ОРС), являющийся следствием необратимого повреждения костного мозга. Концепция селективной защиты основана на регенеративном потенциале гематопоэтических стволовых клеток, содержащихся в костном мозге. Регенеративные свойства стволовых клеток позволяют защитить лишь достаточное количество костного мозга для восстановления организма неповрежденными стволовыми клетками после воздействия – подобный принцип применяется при трансплантации гематопоэтических стволовых клеток (ГСКТ), распространенном методе лечения пациентов с лейкемией. Этот научный прогресс позволяет разработать новый класс относительно легкого защитного оборудования, которое экранирует высокие концентрации костного мозга, отодвигая развитие гематопоэтического субсиндрома острого радиационного синдрома до значительно более высоких доз. Один из методов заключается в применении селективной защиты для защиты высокой концентрации костного мозга, содержащегося в тазовых костях и других радиочувствительных органах брюшной полости. Это позволяет спасателям безопасно выполнять необходимые задачи в радиоактивной среде.
Приборы радиационной защиты
Практическое измерение радиации с использованием калиброванных приборов радиационной защиты необходимо для оценки эффективности защитных мероприятий и определения вероятной дозы облучения, получаемой людьми. Приборы измерения для радиационной защиты бывают стационарными (установленными в фиксированном положении) и портативными (ручными или транспортируемыми).
Установленные приборы
Установленные приборы размещаются в точках, которые, как известно, важны для оценки общей радиационной обстановки на территории. К ним относятся стационарные радиационные мониторы зоны, гамма-интерлок мониторы, мониторы выхода персонала и мониторы радиоактивных частиц в воздухе. Радиационный монитор зоны измеряет фоновое излучение, как правило, рентгеновское, гамма-излучение или нейтронное; это излучения, которые могут создавать значительные уровни радиации на расстоянии более десятков метров от источника, охватывая, таким образом, большую площадь. Гамма-интерлок мониторы используются для предотвращения непреднамеренного облучения персонала, блокируя доступ в зону с повышенным уровнем радиации. Они напрямую блокируют доступ к технологическому процессу. Мониторы радиоактивного загрязнения воздуха измеряют концентрацию радиоактивных частиц в окружающем воздухе, чтобы предотвратить их попадание внутрь организма или оседание в легких персонала. Эти приборы обычно выдают локальную сигнализацию, но часто подключаются к интегрированной системе безопасности, позволяющей эвакуировать участки предприятия и предотвратить доступ персонала в зоны с высоким уровнем радиоактивного загрязнения воздуха. Мониторы выхода персонала (МВП) используются для контроля работников, покидающих зону с контролируемым или потенциальным радиоактивным загрязнением. Они могут быть выполнены в виде ручных мониторов, поисковых зондов для контроля одежды или мониторов всего тела. Эти приборы контролируют поверхность тела и одежды работников на предмет наличия радиоактивного загрязнения. Как правило, они измеряют альфа-, бета- или гамма-излучение, либо их комбинации. Национальная физическая лаборатория Великобритании публикует руководство по передовым практикам через свой Форум по метрологии ионизирующего излучения, касающееся обеспечения таким оборудованием и методологии расчета пороговых значений сигнализации.
Переносные приборы
Переносные приборы бывают ручными или транспортируемыми. Ручной прибор обычно используется как счетчик для детальной проверки объекта или человека, или для оценки зоны, где отсутствуют стационарные измерительные приборы. Они также могут применяться для контроля выхода персонала или проверки загрязнения персонала в полевых условиях. Как правило, они измеряют альфа-, бета- или гамма-излучение, либо их комбинации. Транспортируемые приборы – это, как правило, приборы, которые могли бы быть установлены стационарно, но временно размещаются в зоне для обеспечения непрерывного мониторинга в условиях возможной опасности. Такие приборы часто устанавливают на тележки для облегчения их развертывания и используют во временных оперативных ситуациях. В Соединенном Королевстве HSE опубликовало руководство для пользователей по выбору подходящего прибора для измерения радиации в зависимости от конкретной задачи. В нем рассматриваются все технологии радиационного контроля и он служит полезным справочным материалом для сравнения.
Количества, связанные с излучением
В следующей таблице представлены основные величины и единицы измерения, связанные с радиацией.
Проблемы радиации космических аппаратов
Космические аппараты, как пилотируемые, так и автоматические, должны противостоять высокому уровню радиации в космическом пространстве. Излучение, испускаемое Солнцем и другими галактическими источниками, а также удерживаемое в радиационных "поясах", значительно опаснее и в сотни раз интенсивнее, чем источники излучения, такие как медицинские рентгеновские аппараты или обычное космическое излучение, с которым сталкиваются на Земле. Попадая в человеческие ткани, интенсивно ионизирующие частицы, присутствующие в космосе, могут вызывать повреждение клеток и, в конечном итоге, привести к раку. Наиболее распространенный метод радиационной защиты – это материальное экранирование конструкций космических аппаратов и оборудования (обычно алюминием), которое в пилотируемых космических полетах может быть дополнено полиэтиленом, особенно для защиты от высокоэнергетических протонов и ионов космических лучей. На автоматических космических аппаратах, работающих в условиях высокой дозы электронного излучения, например, в миссиях к Юпитеру или на средней околоземной орбите (MEO), эффективным может быть дополнительное экранирование материалами с высоким атомным номером. В длительных пилотируемых миссиях можно использовать хорошие экранирующие свойства жидкого водорода и воды. В Космической радиационной лаборатории НАСА используется ускоритель частиц, генерирующий пучки протонов или тяжелых ионов, типичных для тех, что ускоряются в космических источниках и Солнцем. Эти пучки ионов проходят через 100-метровый (328 футов) транспортный туннель и достигают экранированного зала для экспериментов площадью 37 м² (400 квадратных футов). Там они направляются на мишень, которая может представлять собой биологический образец или защитный материал. Проблема метода "пассивного экранирования" заключается в том, что взаимодействия излучения с материалом приводят к образованию вторичного излучения. Активное экранирование, то есть использование магнитов, высокого напряжения или искусственных магнитосфер для замедления или отклонения излучения, рассматривается как потенциально эффективный способ борьбы с радиацией. Однако на сегодняшний день стоимость, энергопотребление и вес оборудования для активного экранирования перевешивают его преимущества. Например, для размещения оборудования активного экранирования требуется значительный обитаемый объем, а магнитные и электростатические конфигурации часто не обладают однородной интенсивностью, что позволяет высокоэнергетическим частицам проникать в поля из областей с низкой интенсивностью, например, через куспиды в дипольном магнитном поле Земли. По состоянию на 2012 год НАСА проводит исследования в области сверхпроводящей магнитной архитектуры для потенциального применения в системах активного экранирования.
Ранние опасности радиации
Опасности радиоактивности и радиации не были сразу осознаны. Открытие рентгеновских лучей в 1895 году привело к широкому кругу экспериментов, проводимых учеными, врачами и изобретателями. Уже в 1896 году многие люди начали публиковать в технических журналах рассказы об ожогах, выпадении волос и более серьезных последствиях. В феврале того же года профессор Дэниел и доктор Дадли из Университета Вандербильта провели эксперимент, в ходе которого облучили голову Дадли рентгеновскими лучами, что привело к выпадению волос. Отчет доктора Х. Д. Хоукса, выпускника Колумбийского колледжа, о сильных ожогах рук и груди, полученных во время демонстрации рентгеновского облучения, стал первым из многих подобных отчетов, опубликованных в журнале "Electrical Review". Многие экспериментаторы, включая Элиу Томсона из лаборатории Томаса Эдисона, Уильяма Дж. Мортона и Николу Теслу, также сообщали об ожогах. Элиу Томсон намеренно подвергал палец воздействию рентгеновской трубки в течение определенного времени и испытывал боль, отек и образование волдырей. Иногда за повреждения винили и другие факторы, такие как ультрафиолетовое излучение и озон. Многие физики утверждали, что рентгеновское облучение вообще не оказывает никакого воздействия. Он также подчеркнул, что "животные различаются по восприимчивости к внешнему воздействию рентгеновского излучения" и предупредил, что эти различия следует учитывать при лечении пациентов рентгеновскими лучами. До того, как стали известны биологические эффекты радиации, многие физики и компании начали продавать радиоактивные вещества как запатентованные лекарства в виде светящихся в темноте пигментов. Примерами служат лечение клизмами с использованием радия и употребление радиевой воды в качестве тонизирующего средства. Мария Кюри выступала против такого рода лечения, предупреждая, что воздействие радиации на организм человека изучено недостаточно. Позже Кюри умерла от апластической анемии, предположительно вызванной воздействием ионизирующего излучения. К 1930-м годам, после нескольких случаев некроза костей и смерти сторонников радиевой терапии, содержащие радий лекарственные препараты были в основном изъяты с рынка (радиоактивное шарлатанство).